近日，我院光电材料与器件团队邓芝明博士联合华中师范大学、湖南师范大学、湘南学院、厦门大学等单位，在国际纳米材料领域知名期刊《Nano Letters》在线发表研究论文"Boosting NIR-II Luminescence via Ca²⁺-Formed Band Structure Modulation in Lanthanide-Doped Nanoparticles for Deep-Tissue Bioimaging"。邓芝明博士为论文第一作者，湖南师范大学曾松军教授、华中师范大学刘阿强特聘副研究员、湖南理工大学陈金京博士、湘南学院黄耀博士为共同通讯作者。该研究提出一种Ca²⁺诱导能带结构调制的稀土纳米颗粒敏化新策略，突破了传统敏化路径的限制，显著提升了稀土掺杂纳米颗粒在近红外二区（NIR-II，1000–1700 nm）的发光效率，并成功用于小鼠深组织血管成像。
图1. 论文基本信息
NIR-II荧光成像穿透深、自发荧光低、散射小，在肿瘤早检、血管成像、术中导航等领域前景广阔。但现有探针各有短板：量子点含重金属，有机染料易光漂白，稀土纳米材料吸收截面小、发光弱、量子产率低；传统核壳敏化路径单一，高浓度敏化离子还易引发交叉弛豫、损失激发能量。
针对上述难题，研究团队在NaYF4:Yb/Er体系中引入Ca²⁺离子，系统调控其掺杂浓度，并通过外延生长惰性NaYF4壳层钝化表面缺陷。研究发现，当Ca²⁺掺杂浓度为15 mol%时，纳米颗粒在980 nm激光激发下的1525 nm NIR-II发射达到最优，优化后NIR-II荧光强度较未掺杂对照样品提高约8.6倍，绝对量子产率由7.18%提升至10.7%。荧光寿命测试表明，Ca2+掺杂使1525 nm发射寿命由4.92 ms缩短至4.38 ms，对应能量转移效率约10.9%，说明Ca2+掺杂不仅增强了980 nm吸收，还有效加速了Yb3+向Er3+的能量传递。理论计算进一步揭示，Ca²⁺替代Y³⁺并伴随F空位形成，可有效调制NaYF4电子结构，使带隙由本征7.35 eV逐步降低，增强亚带隙吸收和光捕获能力。
图2. 光学性能研究
在应用验证方面，研究团队通过聚丙烯酸（PAA）修饰使纳米探针获得良好水分散性和生物相容性。小鼠活体成像实验显示，该探针可实现腹部血管的高对比度NIR-II成像，肝区信号背景比达到5.14，较未掺杂探针的3.16提高约62%；ICP-MS分析表明，探针主要通过肝胆途径清除，展现出良好的生物安全性。该工作不仅为高效稀土NIR-II发光探针的设计提供了新思路，也为深组织生物医学成像提供了有潜力的候选材料。
该研究得到湖南省自然科学基金（2026JJ90091）、中央高校基本科研业务费（XJ2026000201）和湖南省教育厅项目（25C0423）等支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c02932.
（图文：邓芝明/李昶）
